JPH03177617A - 垂直可動ベアリング装置およびそれを用いた垂直可動ステージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、可動ベアリング装置およびそれを用いた可動
ステージ装置に関し、特に重力方向すなわち垂直方向へ
の拡がりを有する平面内で対象物を移動させることので
きる可動ベアリング装置およびそれ用いた可動ステージ
装置に関する。

［従来の技術］ 半導体装置製造用のステップ移動露光装置のステージは
、従来水平なステージ面を有し、光源から光がウェーハ
に垂直に照射され、ステージは水平にステップ駆動でき
るようにされている。

通常、オプチカルベンチないしその上に設置された架台
等のベースは水平面を有し、十分高い剛性を有している
。可動ステージは重力によってこのベースに支持され、
ベースの水平面をガイドとして水平面内の位置を移動す
る。

ところで、近年は軌道放射光（ＳＯＲ）光源を用いる半
導体装置製造用の露光装置が考えられてきている。この
装置では、通常電子軌道が水平面内に形成されるので、
光が水平方向に発射される。

この水平に進む光を直接受けて露光を行うには、半導体
ウェーハを移動するステージは、従来の水平移動ステー
ジとは異なり、垂直方向に移動する垂直可動ステー゛ジ
となる。垂直可動ステージ装置は、重力を支持する支持
要素と、垂直方向に延びる案内要素を必要とする。支持
要素と案内要素とを一体の構成としてもよい。

第４図に従来の４面拘束式の垂直可動ステージ装置の外
観を示す、これは、垂直平面を持つベース体４１の上に
剛性の高い案内構造体４２を取り付け、この案内構造体
４２を案内支柱として、その周囲を囲むように担持され
たスライダ４３を矢印（Ｚ方向）の垂直方向に移動可能
にするものである。スライダ４３と案内構造体４２との
間には図示しないエアベアリング装置から空気が供給さ
れて、スライダ４３に４面から浮上力を与えている。ス
ライダ４３の移動は、電磁気的駆動装置による０通常、
このような案内構造体４２とスライダ４３との組み合わ
せを２　＃Ｉ１以上並列に配置し、スライダ間にまたが
ってステージを固定してＺ方向の可動ステージとする。

可動ステージ上に対象物を載置し、スライダ４３を上下
に移動させることによって対象物を２方向に駆動する。

Ｚ方向可動スライダ上に直接ステージを担持する代りに
、２方向可動スライダ上に、２方向と直交するＸ方向を
向いた案内構造体を、たとえば２本担持し、その上にス
テージを担持するとＸ−２２次元の垂直平面可動ステー
ジ装置が構成される。

［課題を解決するための手段］ 第５図は、第４図のスライダ４３にステージ４４を固定
したものを開面から見た図である。ステージ４４の上に
は２点鎖線で示すように、駆動装置やエアベアリング装
置の１部あるいはＸ方向可動ステージがさらに担持され
る。従って、可動部分は全体としては相当な重量となる
。この重量はスライダ４３を介して案内構造体４２によ
って支持される。この可動部分の重量が作用する重心と
Ｚ方向の駆動力（ないし支持力）の作用点とは構造上の
制約から一致させることは困難である。すなわち、駆動
力はスライダ４３と案内′Ｗｉ造体４２の界面付近に作
用するが、重心はステージ４４ｆｆｌＪにずれてしまう
６重心位置と駆動力の作用点のずれによって、Ｘ軸まわ
りのモーメントが発生する。

第５図においては、重心が右側にずれるので、右下りの
モーメントが発生する。これによって、第５図の点線で
示すように、可動部が傾き、案内構造体４２が変形する
。しかも、このモーメントの発生位置はステージの移動
につれてＺ軸方向に移動する。ところで、案内構造体４
２は上下で支持され、垂直方向の位置と共にその剛性が
変化してしまう、このためステージ４４に対してＺ軸ま
わりのローリング、Ｘ軸まわりのピッチング等の運動誤
差が生じ、これが位置決め精度を劣化させる原因となる
。

本発明の目的は、位置決め精度の高いステージ装置等を
実現するために用いる垂直可動ベアリング装置を提供す
ることである。

本発明の他の目的は、位置決め精度の高い垂直可動ステ
ージ装置を提供することである。

「発明が解決しようとする課題］ 本発明の垂直可動ベアリング装置においては、基本とし
て剛性が不足し、力が加わると変形して運動誤差の原因
となる案内構造体をベアリング装置の支持構造として使
用することを止める０本発明によれば、重力方向への拡
がりを持つ表面を有する磁性体ベースと組み合わせて使
用する垂直可動ベアリング装置であって、前記磁性体ベ
ースの表面との対向面を有し、前記磁性体ベースに対向
して間隔を介して配置されるパッド部材と、前記パッド
部材に固定された磁石を含む、前記磁性体と前記パッド
部材との間に吸引力を発生する吸引力手段と、前記パッ
ド部材に配設されたエア吹出し口とを有し、該間隔で前
記パッド部材に浮上力を与える手段とが提供される。

Ｅ作用コ 磁性体ベースはその径等の制限を受けないので、十分高
い剛性を有するように構成できる。パッド部材は浮上力
手段のエアベアリング作用によりベースに対して浮上力
を受ける。パッド部材に取り付けられた吸引力手段が磁
気的吸引力によってベースとパッド部材間に吸引力を生
じさせる。このエアベアリング作用による浮上力と磁気
的吸引力とが平衡するように設定され、ステージは平衡
関係で保持される。

パッド部材の実質的重心と支持点とがずれて回転モーメ
ントが発生しても、ベースは支柱状の案内構造体とは異
なり、十分高い剛性を有するように作製できるので、ベ
ースに実質的変形は起らないようにできる。

吸引力手段の吸引力と浮上力手段の浮上力とのバランス
が崩れると、常に平衡位置に戻ろうとする力が働くので
、高精度の位置決めができる。

磁性体ベースに組合せてこのような垂直可動ベアリング
装置を３つ以上用い、その上にステージを組立てること
により、位置決め精度の高い垂直可動ステージ装置が実
現できる。

［実施例］ 第１図は、本発明の１実施例による垂直可動ベアリング
装置のエアベアリング装置と磁石装置の部分の拡大図で
ある。ベース１１は鉄等の磁性体で作られ、垂直面（Ｙ
Ｚ面）を有する剛性の高い定盤である。１２はエアパッ
ドであり、ベース１１との対向面１３を有し、対向面１
３と反対側にある支柱１４を介して、図示しないステー
ジ部に固定されている。エアパッド１２本体の中心部に
は、図示のような給気孔１７が設けられ、給気孔１７に
空気を供給することにより自戒絞りによるエアベアリン
グが構成される。ベース１１表面とエアパッド１２の対
向面１３との間に空気層が形成され、エアパッド１２に
対して浮上力Ｆ１を与える。この絞り方式は、他にオリ
フィス絞り、表面絞りあるいは、多孔質絞り等の適用が
可能である。さらに、エアパッド１２本体の周辺部に給
気孔１７と同心円状に永久磁石１５とヨーク１６を図示
のように配設する。エアパッド１２本体は、セラミック
等の非磁性体を使用し、ヨーク１６には透磁率の高い材
料、たとえば鉄系の材料を使用する。ベース１１とエア
パッド１２間で、図示のような磁路が形成され、ベース
１１とエアパッド１２間で吸引力Ｆ２が発生する。浮上
力Ｆ１と吸引力Ｆ２の大きさが等しければ、エアパッド
１２はベース表面とある間隔Ｘを保て安定姿勢に保たれ
る。なお、Ｚ方向の重力と反対向きに別に設けた図示し
ない駆動装置によって駆動力を与えることにより、所定
の垂直位置で静止させたり、駆動力を調整することによ
り、所望の２次元位置にエアパッド１２を移動すること
ができる。エア層を挾んでの移動となるので摩擦力は極
めて小さい。

この駆動装置は電磁的駆動手段、たとえば平面形のステ
ップモータ等により実現できる。

このエアパッドの動作原理を第２図の特性図を参照して
より詳細に説明する。

第２図は、横軸にベース１１とエアパッド１２との距離
ｘをとり、縦軸に浮上力Ｆ１と吸引力Ｆ２の大きさをと
った特性図である。２１が浮上力特性、２２か吸引力特
性である。エアベアリングによる浮上力Ｆ１は間隔距離
ｘが減少すると増大し、Ｘが増加すると減少する特性曲
線２１を有する。一方、磁石装置による吸引力は、ここ
では間隔距Ｍｘの二乗に反比例する特性曲線２２を有す
る６両刃の特性は互いに交差する安定点を間隔距１１１
１　ｘ　Ｏの点で有する。つまりｘ＝ｘＯでＦｌ・Ｆ２
となり、浮上力と吸引力とが等しく、エアパッドは安定
姿勢となる。Ｘ＜ＸＯではＦｌ　＞Ｆ２となり浮上力が
吸引力を上回る。また、Ｘ＞ＸＯではＦｌ　＜Ｆ２とな
り、吸引力が浮上力を上回る。従って、安定姿勢の位置
ｘ＝ｘＯから何等かの原因で間隔距離Ｘが増加すると、
吸引力Ｆ１は浮上力Ｆ２を上回って、エアパッド１２は
吸引される方向に修正される。逆に、安定姿勢の位置ｘ
＝ｘＯから何等かの原因で間隔距１ｌＩｉｘが減少する
と、浮上力Ｆ２が吸引力Ｆ１を上回って、エアパッド１
２は引き離される方向に自動修正される。こうやって、
エアパッドは常に、ｘ＝ｘＯの安定位置に保持される。

たとえば磁石装置の特性曲線２２を適切に設計すること
によって、この様な自動復元機能をエアパッドに与える
ことができる。エアパッド１２の重心位置と駆動力作用
点とがずれている場合に、モーメントが発生するが、重
力をも取り込んだ特性を考える時、上記の復元作用によ
り間隔Ｘは常に平衡距離ＸＯに保たれるため、運動誤差
は生じない、しかも、剛性の高いベースをステージの支
持構造としているため変形が少なく、位置決め精度が向
上する。磁石装置は永久磁石の代りに電磁石としてもよ
い、電磁石と永久磁石の組み合わせとしてもよい、エア
パッド開にモニタを設けて間隔Ｘをモニタして！磁石の
駆動電流を制御してもよい、磁石装置を適切に設計すれ
ば、第２図の吸引力Ｆ２の特性を距離ｘに関わらず一定
にすることもできる。この場合は、あたかもベース面に
垂直な方向に重力相当の力があるが如く作用するので、
非常に安定なエアパッドを得ることができる。

次に、このエアパッドを垂直可動ベアリング装置に適用
した実施例を第３図を参照して説明する。

第３図（Ａ）は１軸（Ｙ軸）可動ベアリング装置の平面
図である。第３図（Ｂ）、第３図（Ｃ）はそれぞれ第３
図（Ａ）のＢ、Ｃ方向からの側面図である。ステージ３
１には第１図に示したものと同様のエアパッド３２が３
個取り付けられている。エアパッド３２は、エアベアリ
ングと磁石装置（いずれも図示せず）によりベース３２
に３点で直接支持される。但し、支持点の数は３点に限
るものではなく、ステージ３１の大きさや形状、負荷の
大きさ等に応じて適切な支持点数が選択されるべきであ
る。ベース３６上には２方向の案内レール３３が固定さ
れる。そして、ステージ３１の裏面に取り付けたスライ
ダ３４．３５が案内レール３３を挾んで摺動する。スラ
イダ３４．３５と案内レール３３との摺動面は非常にｌ
１ｌＩ＃ｌ！！の少ない構造とする。この案内レール３
３は単にＸ方向への移動を拘束し、かつＹ軸まわりの回
転運動を規制して２方向への移動をスムーズかつ正確に
するためのものであり、ステージ３１の荷重は掛からな
い、従って、モーメントによる変形も生じない、なお、
案内レール３３は１本に限らず、ステージの荷重や形状
等を勘案して適切な数を選択すればよい、２次元方向の
運動を可能とするためには、ステージ３１の上にさらに
同様な１軸可動ベアリング装置を搭載すればよい、この
実施例による垂直ベアリング装置では、従来の案内構造
体を使用するものと比べて、全体の構造がコンパクトで
あり、剛性が高く、運動誤差が非常に少なく、位置決め
精度が向上する。なお、移動のための推進装置としては
電磁的駆動装置、たとえばリニアモータ、ステップモー
タ等をスライダ３４．３５と案内レール３３との間に設
けるとよい、また、駆動装置をステージ側に設けること
も可能である。

本垂直ベアリング装置は、半導体露光装置のステッパの
他に、３次元測定器や超精密加工機等の高精度の位置決
めを要求される移動装置として広い分野に利用すること
ができる。

以上実總例に沿って説明したが、本発明はこれらに制限
されるものではない、たとえば、種々の変更、改良、組
み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

［発明の効果］ ベース面を支持母体とし、エアベアリングによる浮上力
と磁石による吸引力を利用して運動方向が垂直方向であ
る場合にも利用できるベアリング装置が提供される。

自動安定構造としたことにより、ベース面を直接案内面
とすることができる。

位置決めの精度の高いベアリング装置やステージ装置が
提供される。

コンパクトで構造上の自由度の高い可動ベアリング装置
が得られる。

ステージへの荷重による支持体の変形が少なく、運動誤
差が極めて少なく、位置決め精度が非常に高い垂直可動
ベアリング装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例によるエアパッドの構造を説
明するための断面図、 第２図は第１図のエアパッドの動作原理の説明のための
特性図、 第３図（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例による垂直可
動ステージ装置を示す平面図と各四面図、第４図は従来
の垂直可動ベアリング装置の概念構造を示す外観図、 第５図は同じ〈従来の垂直可動ステージ装置の測面図で
ある。 図において、 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ １ ２ １ ２ ３ ベース エアパッド 対向面 支柱 永久磁石 ヨーク 給気孔 エアベアリングの浮上力特性 磁石装置の吸引力特性 ステージ エアパッド 案内レール ３４、 １ ２ ３ ４ スライダ ベース 案内構造体 スライダ ステージ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）、重力方向への拡がりを持つ表面を有する磁性体
   ベースと組み合わせて使用する垂直可動ベアリング装置
   であって、 前記磁性体ベースの表面との対向面を有し、前記磁性体
   ベースに対向して間隔を介して配置されるパッド部材と
   、 前記パッド部材に固定された磁石を含む、前記磁性体と
   前記パッド部材との間に吸引力を発生する吸引力手段と
   、 前記パッド部材に配設されたエア吹出し口とを有し、該
   間隔で前記パッド部材に浮上力を与える手段と を有する垂直可動ベアリング装置。
2. （２）、前記吸引力手段の前記間隔の関数としての吸引
   力と、前記浮上力手段の前記間隔の関数としての浮上力
   との関係は、前記吸引力と前記浮上力とが平衡する安定
   点を有し、該安定点より間隔が大きくなると前記吸引力
   が前記浮上力より大きくなり、前記安定点より間隔が小
   さくなると前記浮上力が前記吸引力より大きくなるよう
   に設定されている請求項１記載の垂直可動ベアリング装
   置。
3. （３）、前記吸引力手段の前記間隔の関数としての吸引
   力は前記間隔にかかわらず実質的に一定に設定されてい
   る請求項１ないし２記載の垂直可動ベアリング装置。
4. （４）、対象物を載置すべきステージ面と、該ステージ
   面に固定された３つ以上の請求項１〜３のいずれかに記
   載の垂直可動ベアリング装置を有する垂直可動ステージ
   装置。